CN102519817B

CN102519817B - 往复运动摩擦实验装置

Info

Publication number: CN102519817B
Application number: CN201110445625.5A
Authority: CN
Inventors: 吴行阳; 黄夏婧; 黄元昊; 桑仁政; 张建华
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: CN102519817A

Abstract

本发明涉及了一种往复运动摩擦学实验装置。包括底座，在底座上面安装一个往复直线运动部件，其上有运动平台，该平台上安装实验盘；有一个支撑部件固定在底座上，其上有与转轴连接的长条形基板绕该转轴转动，该转轴轴线与运动平台的移动方向相垂直，该基板上部固定一个传动部件，而下部滑动连接一个加载部件，加载部件上端通过一个弹簧与传动部件的下端弹性连接，形成弹性力加载；而下端装有实验销夹持件；还有一个测力部件：在弹簧与加载部件之间安装第一测力传感器，在底座与基板下端之间沿运动平台移动方向安装第二测力传感器。本发明实验测得实验试件运动及负荷与摩擦磨损的相互关系。本装置有较强的兼容性和功能，易操作，成本低。

Description

往复运动摩擦实验装置

技术领域

本发明涉及机械及材料摩擦学研究领域，为新型材料摩擦、磨损性能的评定提供了可靠、高效、低成本的测试评价平台。具体涉及一种往复运动摩擦实验装置能够为通用销盘型摩擦学实验提供平台。

背景技术

近年来，随着人们环保意识的逐渐增强以及对安全生产的日益重视，使得传统油润滑方式面临严重的考验。由于水具有无污染、来源广泛、节省能源、安全性、难燃性等特性，使其成为极具发展潜力的润滑介质之一。然而水的低粘度、润滑性差、导电性差、气化压力高及与油润滑差异大等特点，使水润滑摩擦副的研究及应用存在腐蚀、气蚀、磨损、摩擦副材料及缺乏相应的设计理论等问题。因此提高在水润滑条件下摩擦副材料的耐磨、耐腐蚀性能成为水润滑技术发展的关键问题之一。近阶段，由于表面织构技术以及DLC薄膜沉积技术各自在改善材料表面摩擦性能的优异表现，已有研究将两者相结合，探究其对材料在水中摩擦学性能的影响情况。

表面织构制备的方式通常包括反应离子刻蚀、LIGA技术、磨料喷射加工、激光织构加工技术等，DLC薄膜制备的方式一般包括物理气相沉积与化学气相沉积等，这些技术工艺复杂、成本较高，而表面织构与DLC薄膜本身即具有较多的影响参数，为研究织构化DLC薄膜在水润滑环境下的摩擦学性能，因此需要进行大量的摩擦磨损实验。摩擦磨损实验主要分为实际使用实验、模拟性台架实验与实验室试件实验，其中实际使用实验与模拟性台架实验均采用与实际使用情况一致或相近的实验条件，实验成本高、周期长，实验室试件实验成本低，实验周期短，实验参数相对简单可控，因而受到了广泛的使用。

摩擦学实验机的目标在于在一定程度上模拟实际使用的环境条件，通过实验试件间的相对摩擦运动，对相关材料进行分析研究。

销盘型摩擦学实验机是一种比通用性实验机，由于其结构、模拟运动比较简单，易于对摩擦、磨损性能作出快速分析，主要通过圆盘与加工成销状的试验样品之间所形成的相对运动来研究材料的摩擦学性能，此外销盘实验机还能通过力学传感器实时测量实验中摩擦力的大小，以此来分析受力大小与磨损之间的关系，适用于普遍的润滑、摩擦磨损的研究。

综上，在往复运动摩擦学实验装置的开发上，设计要求与目标可以归纳为以下几点：

a.能够可靠的实现在一定载荷条件下实验试件之间的往复摩擦运动；

b.能够支持不同润滑环境的测试实验，例如：在一定温度条件下的水润滑环境；

c.有助于分析比较实验试件运动及载荷与摩擦磨损的相互关系，例如：可调节的相对摩擦运动及可调节的载荷；

d.适用于不同规格试件的实验，如：直径40~100mm的实验盘；

e.具有较强的兼容性和改进功能；

f.易于操作、装卸；

g.保养成本低、良好的互换性。

发明内容

本发明一个目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种往复运动摩擦实验装置，为织构化DLC薄膜材料摩擦磨损实验提供平台。

为达到上述目的，本发明的构思是：

本发明的往复运动摩擦学实验装置，包括：支撑部件（I）、传动部件（II）、加载部件（III）、测力部件（IV）、往复直线运动部件（V）。往复直线运动部件（V）由连接块和往复运动平台组成，盘夹持件安装于往复运动平台上。传动部件（II）和加载部件（III）由伺服电机、滚珠丝杠、连接块、销夹持件组成，通过直线滑块和直线导轨固定在支撑部件（I）上，并随支撑部件（I）具有绕转轴的自由度，并由弹簧连接并传递载荷力，销夹持件通过紧钉螺栓与加载连接块相连。测力部件（IV）通过连杆与支撑部件（I）相连，以传递摩擦力并加以测量。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种往复运动摩擦实验装置，包括：有一个底座，在所述底座上面安装一个往复直线运动部件，其上有运动平台，在该运动平台上安装实验盘；有一个支撑部件固定安装在底座上，其上有与转轴连接的长条形基板绕该转轴转动，该转轴的轴线与所述运动平台的运动方向相垂直，该基板上部固定安装一个传动部件，而下部滑动连接一个加载部件；所述加载部件的上端通过一个弹簧与所述传动部件的下端弹性连接，形成弹性力加载；而下端装有实验销夹持件；还有一个测力部件：在所述弹簧与加载部件之间安装一个第一测力传感器，而在底座与基板下端之间沿运动平台移动方向安装一个第二个测力传感器。

所述支撑部件的结构：两根处在同一轴线上的所述转轴通过固定板用螺栓与两块左右设置的长条形基板相联，所述左右长条形基板与上下两块连接板连接固定成一体，所述两根转轴分别各通过两个滚动轴承装载在两个轴承座上，两个轴承座则分别通过两个安装板及两根支架固定在所述底座上，使整个支撑部件能够绕转轴转动。

所述传动部件的结构：一个伺服电机通过一个安装块与上一块连接块甲相联，固定于支撑部件的顶端，同时伺服电机的输出轴通过一个联轴器二与一根滚珠丝杠二相联，该滚珠丝杠二旋配的螺母通过一个连接块乙与一个上直线滑块相联，该上直线滑块与固定在长条形基板上的上直线导轨相匹配而滑动连接于支撑部件的长条形基板上；所述连接块乙通过所述弹簧与下方的加载部件弹性相联；通过驱动伺服电机控制加载部件的速度行程并通过弹簧给加载部件传递载荷力。

所述加载部件的结构：所述弹簧的下端支承于所述第一测力传感器的上端面上，而第一测力传感器下端支承于一个连接块丙上，所述连接块丙上固定连接滑块连接件，该滑块连接块与一个下直线滑块相联，该下直线滑块与所述直线导轨二相匹配而引导加载部件运动且将加载部件滑动连接于支撑部件的长条形基板上；所述连接块丙下方与一个加载连接块相联，所述实验销夹持件通过紧定螺钉与加载连接块相联，并夹持实验销与下方往复直线运动部件上的实验盘相接触，实现往复摩擦磨损实验。

所述往复直线运动部件的结构：一个水平直线滑块与固定在底座上的水平直线导轨一相匹配，一个支撑平台通过连接块与水平直线滑块相联。所述运动平台通过限位块一安装于支撑平台上，并能调整相对于支撑平台的相对位置。所述支撑平台通过连接块一和连接块二与滚珠丝杠螺母固定连接，滚珠丝杠一通过联轴器一与一个伺服电机相联；所述实验盘带有一个密封环，通过限位块和限位螺钉固定在运动平台上，由运动平台带动一起沿着直线导轨做往复直线运动。

所述测力部件的结构：一根连杆的一端固定在支撑部件的长条形基板的一侧，一个测力基板固定在底座上，所述第二测力传感器通过螺栓安装在测力基板上，并通过一个测力连接块与连杆的另一端相联，使得实验销与实验盘之间的摩擦力矩能够通过连杆传递至第二测力传感器，并加以测量；所述安装在弹簧与加载部件之间的第一测力传感器测量加载力。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

本发明中的传动部件可调节加载载荷，往复直线运动部件可调节运动速度，从而可以实验得到实验试件运动及负荷与摩擦磨损的相互关系。本装置具有较强的兼容性和功能，易于操作，互换性好，易保养。

附图说明

图1是本发明的沿盘运动方向作为视向的总体装配结构示意图。

图2是图1左视图。

图3是图1的往复直线运动部件的左视图。

图4是图1的传动部件与加载部件内部结构示意图。

图5是图1中的支撑部件的结构示意图。

图6是图1中的传动部件的结构示意图。

图7是图1中的加载部件的结构示意图。

图8是图1中的测力部件的结构示意图。

图9是图3中的运动平台的连接结构图。

具体实施方式

现将参照附图并结合优选实施例更充分地描述本发明：

实施例一：

参见图1、图2、和图3，本往复运动摩擦实验装置，包括一个底座（24），在所述底座（24）上面安装一个往复直线运动部件（V），其上有运动平台（9），在该运动平台（9）上安装实验盘（17）；有一个支撑部件（I）固定安装在底座（24）上，其上有与转轴（42）连接的长条形基板（41）绕该转轴转动，该转轴（42）的轴线与所述运动平台（9）的运动方向相垂直，该长条形基板（41）上部固定安装一个传动部件（II），而下部滑动连接一个加载部件（III）；所述加载部件（III）的上端通过一个弹簧（36）与所述传动部件（II）的下端弹性连接，形成弹性力加载；而下端装有实验销夹持件（40）；还有一个测力部件（IV）：在所述弹簧（36）与加载部件（III）之间安装一个第一测力传感器（37），而在底座（24）与长条形基板（41）下端之间沿运动平台（9）移动方向安装一个第二个测力传感器（47）。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：参见图1——图9，所述支撑部件的结构：两根处在同一轴线上的所述转轴（42）通过固定板（51）用螺栓与两块左右设置的长条形基板（41）相联，所述长条形基板（41）与上下两块连接板（27）连接固定成一体，所述两根转轴（42）分别各通过两个滚动轴承（50）装载在两个轴承座（43）上，两个轴承座（43）则分别通过两个安装板（44）及两根支架（45）固定在所述底座（24）上。

所述传动部件（II）的结构：一个伺服电机（25）通过一个安装块（26）与上一块连接块甲（27）相联，固定于支撑部件（I）的顶端，同时伺服电机（25）的输出轴通过一个联轴器（28）与一根滚珠丝杠二（29）相联，该滚珠丝杠二（29）旋配的螺母（30）通过一个连接块乙（33）与一个上直线滑块（32）相联，该上直线滑块（32）与固定在长条形基板（41）上的上直线导轨相匹配而滑动连接于支撑部件（I）的长条形基板（41）上；所述连接块乙（33）通过所述弹簧（36）与下方的加载部件（III）弹性相联；通过驱动伺服电机（25）控制加载部件（III）的速度行程并通过弹簧（36）给加载部件（III）传递载荷力。

所述加载部件的结构：所述弹簧（36）的下端支承于所述第一测力传感器（37）的上端面上，而第一测力传感器（37）下端支承于一个连接块丙（35）上，所述连接块丙（35）上固定连接滑块连接件（34），该滑块连接块（34）与一个下直线滑块（49）相联，该下直线滑块（49）与所述直线导轨二（31）相匹配而引导加载部件（III）运动且将加载部件（III）滑动连接于支撑部件（I）的长条形基板（41）上；所述连接块丙（35）下方与一个加载连接块（38）相联，所述实验销夹持件（40）通过紧定螺钉（39）与加载连接块（38）相联，并夹持实验销与下方往复直线运动部件（V）上的实验盘（17）相接触，实现往复摩擦磨损实验。

所述往复直线运动部件（V）的结构：一个水平直线滑块（4）与固定在底座（24）上的水平直线导轨一（5）相匹配，一个支撑平台（8）通过连接块（6）与水平直线滑块（4）相联。所述运动平台（9）通过限位块一（10）安装于支撑平台（8）上，并能调整相对于支撑平台（8）的相对位置。所述支撑平台（8）通过连接块一和连接块二（11，12）与滚珠丝杠螺母（23）固定连接，滚珠丝杠（3）通过联轴器一（2）与一个伺服电机相联；所述实验盘（17）带有一个密封环（16），通过限位块二（18）和限位螺钉（20）固定在运动平台（9）上，由运动平台（9）带动一起沿着直线导轨（5）做往复直线运动。

所述测力部件（IV）的结构：一根连杆（48）的一端固定在支撑部件（I）的长条形基板（41）的一侧，一个测力基板（46）固定在底座（24）上，所述第二测力传感器（47）通过螺栓安装在测力基板（46）上，并通过一个测力连接块（52）与连杆（48）的另一端相联，使得实验销与实验盘之间的摩擦力矩能够通过连杆（48）传递至第二测力传感器（47），并加以测量；所述安装在弹簧（36）与加载部件（III）之间的第一测力传感器（37）测量加载力。

实施例三：

参见图1、图2、图3、图4，包含支撑部件（I）、传动部件（II）、加载部件(III)、测力部件（IV）、往复直线运动部件（V）。本发明中，参见图3，实验盘（17）安装于密封环（16）内，通过夹持块（18）与夹持螺栓（20）固定在运动平台（9）上。铜块（15）与加热片（14）固定在隔热块（13）内并安装于实验盘（17）下方，以实现对实验块的加热。运动平台（9）通过限位块一（10）安装于支撑平台（8）上，并能调整相对于支撑平台（8）的相对位置。支撑平台（8）通过连接块（6）和连接块（7）安装在直线滑块（4）上，使得运动平台能沿着直线导轨（5）做往复直线运动。同时，支撑平台（8）又通过连接块一（11）和连接块二（12）与滚珠丝杠螺母（23）相联，滚珠丝杠一（3）则通过联轴器一（2）与伺服电机（1）相联，因此通过驱动伺服电机即可带动运动平台进行直线往复运动。直线导轨一（5）和连接块（22）安装在实验机底座（24）上。参见图1与图4，销夹持件（40）通过紧定螺钉（39）固定于加载连接块（38）上，加载连接块（38）通过连接块丙（35）、连接块（34）与直线滑块（49）进行连接，同时第一测力传感器（37）通过螺栓与连接块丙（35）相连接，此安装体可沿着直线导轨（31）移动。加载电机（25）通过安装块（26）安装于支撑部件（I）连接块甲（27）上，同时通过联轴器二（28）与滚珠丝杠二（29）相联。滚珠丝杠螺母（30）通过连接块（33）与直线滑块（32）相联，因此滚珠丝杠螺母可沿直线导轨（31）进行直线运动。滚珠丝杠螺母（30）与第一测力传感器（37）之间安装有弹簧（36），以起到缓冲的作用。直线导轨（31）、滚珠丝杠二（29）以及支撑部件（I）连接块甲（27）均安装于支撑部件（I）长条形基板（41）上，整个支撑部件（I）通过转轴（42）与滚动轴承（50）在装载在轴承座（43）上，轴承座（43）则通过安装板（44）及支架（45）固定在实验机底座（24）上，使支撑部件（I）能绕转轴（42）转动。参见图1与图2，第二测力传感器（47）通过螺栓安装在测力基板（46）上，同时通过连杆（48）与支撑部件（I）相联，使得实验销和盘之间的摩擦力矩能够通过连杆（48）传递至第二测力传感器（47），并加以测量。

本发明的工作原理如下：参见图1、图2、图3、图4，在摩擦磨损实验开始前，首先将实验销安装在销夹持件（40）内，通过紧定螺钉将销夹持件（40）内与加载连接块（38）相连接，同时将安装有实验盘（17）的密封环（16）放置于夹持块（18）与夹持螺栓（20）之间，并加以固定。控制伺服电机（25）带动滚珠丝杠（28）旋转，使丝杠螺母（30）沿竖直向下的方向移动。丝杠螺母（30）通过弹簧（36）使第一测力传感器（37）及销夹持件（40）竖直向下移动，当实验销与实验盘（17）相接触，弹簧（36）被压缩，产生加载负荷并施加在实验销与实验盘之间，同时加载力由第一测力传感器（37）测出。通过螺栓将连杆（48）与支撑部件（I）相联，并调整第二测力传感器（47）在竖直方向上的位置使其关于实验销与实验盘相对摩擦运动所在平面对称。此时控制伺服电机（1）使其带动滚珠丝杠（3）旋转，使滚珠丝杠螺母（23）带动运动平台（9）沿直线导轨（5）进行往复直线运动，即实现了实验盘（17）与实验销之间的往复摩擦运动。由于支撑部件（I）本身具有绕转轴（42）旋转的自由度，并可以带动传动部件(II)和加载部件(III)一起具有旋转自由度，而在实验时又由连杆（48）限制其转动，因此实验销与实验盘之间的摩擦力矩即可通过支撑部件（I）传递至连杆（48），并被第二测力传感器（47）所测量。实验销与实验盘之间相对运动的速度与行程由伺服电机（1）控制。

Claims

1.一种往复运动摩擦实验装置，包括一个底座(24)，其特征在于：

a.在所述底座(24)上面安装一个往复直线运动部件(V)，其上有运动平台（9），在该运动平台（9）上安装实验盘（17）；

b.有一个支撑部件（I）固定安装在底座（24）上，其上有与转轴（42）连接的长条形基板（41）绕该转轴转动，该转轴（42）的轴线与所述运动平台（9）的运动方向相垂直，该基板（41）上部固定安装一个传动部件（II），而下部滑动连接一个加载部件（III）；

c.所述加载部件（III）的上端通过一个弹簧（36）与所述传动部件（II）的下端弹性连接，形成弹性力加载；而下端装有实验销夹持件（40）；

d.还有一个测力部件（IV）：在所述弹簧（36）与加载部件（III）之间安装一个第一测力传感器（37），而在底座（24）与基板（41）下端之间沿运动平台（9）移动方向安装一个第二测力传感器（47）。

2.根据权利要求1所述的往复运动摩擦实验装置，其特征在于所述支撑部件（I）的结构：两根处在同一轴线上的所述转轴（42）通过固定板（51）用螺栓与两块左右设置的所述长条形基板（41）相联，所述长条形基板（41）与上下两块连接板（27）连接固定成一体，所述两根转轴（42）分别各通过两个滚动轴承（50）装载在两个轴承座（43）上，两个轴承座（43）则分别通过两个安装板（44）及两根支架（45）固定在所述底座（24）上。

3.根据权利要求1所述的往复运动摩擦实验装置，其特征在于所述传动部件（II）的结构：一个伺服电机（25）通过一个安装块（26）与上连接板（27）相联，固定于支撑部件（I）的顶端，同时伺服电机（25）的输出轴通过一个联轴器二（28）与一根滚珠丝杠二（29）相联，该滚珠丝杠二（29）旋配的螺母（30）通过一个连接块乙（33）与一个上直线滑块（32）相联，该上直线滑块（32）与固定在长条形基板（41）上的上直线导轨（31）相匹配而滑动连接于支撑部件（I）的长条形基板（41）上；所述连接块乙（33）通过所述弹簧（36）与下方的加载部件（III）弹性相联；通过驱动伺服电机（25）控制加载部件（III）的速度行程并通过弹簧（36）给加载部件（III）传递载荷力。

4.根据权利要求3所述的往复运动摩擦实验装置，其特征在于所述加载部件的结构：所述弹簧（36）的下端支承于所述第一测力传感器（37）的上端面上，而第一测力传感器（37）下端支承于一个连接块丙（35）上，所述连接块丙（35）上固定连接滑块连接块（34），该滑块连接块（34）与一个下直线滑块（49）相联，该下直线滑块（49）与所述上直线导轨（31）相匹配而引导加载部件（III）运动且将加载部件（III）滑动连接于支撑部件（I）的基板（41）上；所述连接块丙（35）下方与一个加载连接块（38）相联，所述实验销夹持件（40）通过紧定螺钉（39）与加载连接块（38）相联，并夹持实验销与下方往复直线运动部件（V）上的实验盘（17）相接触，实现往复摩擦磨损实验。

5.根据权利要求1所述的往复运动摩擦实验装置，其特征在于所述往复直线运动部件（V）的结构：一个水平直线滑块（4）与固定在底座（24）上的水平直线导轨一（5）相匹配，一个支撑平台（8）通过连接块（6）与水平直线滑块（4）相联；所述运动平台（9）通过限位块一（10）安装于支撑平台（8）上，并能调整相对于支撑平台（8）的相对位置；所述支撑平台（8）通过连接块一（11，12）与滚珠丝杠螺母（23）固定连接，滚珠丝杠一（3）通过联轴器一（2）与一个伺服电机相联；所述实验盘（17）带有一个密封环（16），通过限位块二（18）和限位螺钉（20）固定在运动平台（9）上，由运动平台（9）带动一起沿着水平直线导轨（5）做往复直线运动。

6.根据权利要求1所述的往复运动摩擦实验装置，其特征在于所述测力部件（IV）的结构：一根连杆（48）的一端固定在支撑部件（I）的基板（41）的一侧，一个测力基板（46）固定在底座（24）上，所述第二测力传感器（47）通过螺栓安装在测力基板（46）上，并通过一个测力连接块（52）与连杆（48）的另一端相联，使得实验销与实验盘之间的摩擦力矩能够通过连杆（48）传递至第二测力传感器（47），并加以测量；所述安装在弹簧（36）与加载部件（III）之间的第一测力传感器（37）测量加载力。